Estructura de dispositivo semiconductor y procedimiento de fabricación de la misma.

Una heteroestructura de dispositivo semiconductor compuesto que forma un dispositivo detector híbrido que comprende un primer material detector semiconductor de cristal en masa (101,

111) adecuado para la detección de fotones de una parte de menor energía del espectro electromagnético, y un segundo material detector semiconductor de cristal en masa (102, 112) adecuado para la detección de fotones de una parte de mayor energía del espectro electromagnético dispuesto sobre una superficie del primer material semiconductor de cristal en masa, siendo el segundo material detector semiconductor de cristal en masa un material del grupo II-VI que comprende Cd1-(a+b)MnaZnbTe cristalino, donde a y/o b pueden ser cero, distinto del primer material semiconductor de cristal en masa, siendo el primer material detector semiconductor de cristal en masa (101, 111) un material para la detección de fotones de una parte de menor energía del espectro que el segundo material de cristal en masa, donde las porciones de al menos el segundo material semiconductor de cristal en masa tienen un grosor selectivamente reducido para producir un área configurada según un patrón de grosor reducido de dicho material semiconductor de cristal en masa.

Estructura de dispositivo semiconductor y procedimiento de fabricación de la misma.

La presente invención se refiere a un dispositivo semiconductor y un procedimiento de fabricación del mismo. En particular, la presente invención se refiere a un dispositivo que comprende un material semiconductor del grupo II-VI formado sobre un sustrato de un material semiconductor distinto, y a un procedimiento para formar dicha estructura. En particular, la invención se refiere a un dispositivo para la detección de un amplio intervalo de energías de fotones (gamma, rayos X y visible) y a un procedimiento de fabricación del mismo.

Los materiales semiconductores se usan en muchas aplicaciones, incluyendo circuitos electrónicos y detectores. Los diferentes materiales semiconductores pueden ser especialmente adecuados para su uso en aplicaciones particulares. Por ejemplo, se conoce el uso de materiales del grupo II-VI tales como telururo de cadmio y telururo de cadmio-cinc (CZT) para la detección de rayos X y rayos gamma, puesto que estos materiales pueden absorber fotones y generar una señal eléctrica como respuesta.

En particular, los materiales de monocristal tienen varias aplicaciones importantes. Los semiconductores de monocristales de telururo de cadmio (CdTe) y telururo de cadmio-cinc (CZT) "en masa" son útiles, por ejemplo, como detectores de rayos X y rayos gamma que tienen aplicación en la selección de seguridad, formación de imágenes médica y exploración espacial, entre otras cosas.

Para muchas aplicaciones, se desea disponer de monocristales de gran tamaño y grosor, que se pueden formar rápidamente con una uniformidad óptima y mínimas impurezas.

Cuando se requieren diferentes materiales semiconductores para diferentes usos, también puede ser útil conectar eléctricamente entre sí diferentes materiales semiconductores. Por ejemplo, en el caso de un detector, se conoce conectar un material detector semiconductor a un circuito semiconductor usando uniones con hielos o uniones a tope. Puede ser difícil conformar monocristales distintos en una estructura coherente.

Tradicionalmente, los monocristales se han formado usando técnicas de solidificación directa, tales como los procedimientos de Bridgman, de calentador por desplazamiento (THM) , congelación con gradiente (GF) u otros procedimientos de crecimiento de cristales en fase líquida o en fase vapor con autoiniciadores en los que se hace crecer los cristales desde una masa fundida. Con estos procedimientos convencionales, ha sido difícil formar cristales de alta calidad de forma consistente, o formar monocristales con un diámetro mayor de 25 mm o 50 mm. En particular, con estos procedimientos conocidos de formación de cristales, se forman fácilmente dislocaciones, uniones subgranulares y dobles. Para los procedimientos de Bridgman de alta presión, también existe el problema potencial de la formación de tubos.

Estos problemas son problemas particulares cuando se forman cristales de CdTe. La inclusión de cinc para preparar CZT reduce estos problemas de algún modo ya que el cinc fortalece la red. Sin embargo, la segregación de cinc en la interfaz de solidificación puede dar como resultado perfiles de composición axial de diversas calidades. Además, se requieren temperaturas más altas para el crecimiento de CZT, y esto no es deseable. Además, el proceso tiende a formar precipitados e inclusiones debido al exceso de telurio en la masa fundida. Las inclusiones de telururo pueden tener un tamaño de decenas de micrómetros y esto puede ser significativo para aplicaciones del detector. Además, habrá una nube de dislocación asociada con cada inclusión que afectará al rendimiento de los detectores formados a partir del cristal.

En la patente europea n.º EP-B-1019568 se describe un procedimiento de formación de cristales usando una técnica física en fase vapor. Este procedimiento se conoce como Transporte Físico en Fase Vapor Multitubular (MTPVT) . De acuerdo con este procedimiento, se proporciona un cristal iniciador o punto de crecimiento del material que se va a hacer crecer. Se proporciona material en fase vapor al cristal iniciador o punto de crecimiento, lo que provoca la nucleación y el posterior depósito del material para hacer crecer el cristal sobre el cristal iniciador o punto de crecimiento. El cristal iniciador o punto de crecimiento debe ser similar en material y estructura al material de cristal que se va a hacer crecer, siendo, por ejemplo una variación menor o dopada de la composición de cristal. En particular, el documento EP-B-1019568 describe un procedimiento en el que se dispone el cristal iniciador o punto de crecimiento en una zona de crecimiento que está conectada a la región de fuente a través de una vía de paso que puede transportar vapor desde la región de fuente a la región de crecimiento. La temperatura en las regiones de fuente y de crecimiento se puede controlar de forma independiente, estando las regiones térmicamente aisladas.

El procedimiento de Transporte Físico en Fase Vapor Multitubular descrito en el documento EP-B-1019568 puede producir cristales de una calidad mayor y más uniforme. Sin embargo, sigue existiendo el problema de que el tamaño de los cristales que se pueden hacer crecer es limitado ya que el cristal no puede ser más grande que el cristal iniciador sobre el que se hace crecer.

Se conoce proporcionar grandes sustratos formados a partir de materiales tales como arseniuro de galio o silicio y depositar una película fina de monocristal de telururo de cadmio o telururo de cadmio-cinc. Las películas finas se pueden depositar usando técnicas de crecimiento de película fina tales como epitaxia por haces moleculares, deposición química de vapor, pulverización catódica, deposición química de vapor metalorgánico (MOCVD) , epitaxia en fase vapor metalorgánica (MOVPE) y epitaxia en fase líquida (LPE) . Estos procedimientos permiten el crecimiento de la capa de película fina de monocristal a velocidades de entre 0, 1 y 1 µm por hora, y por lo tanto, el grosor de la capa es muy limitado. De forma típica, el grosor máximo de dichas películas finas varía de 1 a 10 µm. Aunque se puede formar una película fina sobre un sustrato para dar un cristal semiconductor de área grande, dicha película no es adecuada para su uso como detector para rayos X y rayos gamma. Cuando se detectan rayos X y rayos gamma, es necesario proporcionar un grosor suficiente de material para detener los fotones de alta energía. Para capturar el 90 % de la radiación incidente a una energía de fotón de 100 keV, es necesario que la capa de CdTe tenga un grosor de aproximadamente 11 mm. Con el uso de procedimientos típicos para el crecimiento de películas finas, esto llevaría alrededor de 10 000 horas. Por lo tanto, no se pueden hacer crecer cristales adecuados usando procedimientos de deposición de película fina.

También se conoce que se pueden usar técnicas de serigrafía para depositar una capa gruesa de material sobre un sustrato, estas capas no son capas de monocristales, y por lo tanto, no son adecuadas para la detección de rayos X y rayos gamma.

En general, se ha considerado que las desigualdades de cristales entre un sustrato de un primer material de cristal en masa y un segundo material de cristal en masa con diferentes estructuras de red evitaría la formación del segundo material de cristal en masa sobre dichos sustratos, o daría como resultado tensiones inaceptables entre los materiales afectando a la inaceptabilidad del dispositivo. Por ejemplo, en general no se consideró posibleproporcionar un material de cristal de telururo de cadmio, que tendrá un parámetro de red a = 6, 481 Å (10 Å = 1 nm) directamente sobre un sustrato de silicio que tendrá un parámetro de red a = 5, 4309 Å debido a la desigualdad de red. En consecuencia, esto limita el material de cristal en masa que se puede hacer crecer en cualquier sustrato dado.

Sin embargo, recientes desarrollos han sugerido que la inclusión de una capa intermedia y región de transición entre el sustrato y el material de cristal en masa permite un cambio gradual en la estructura del cristal entre el sustrato y el cristal en masa que puede compensar cualquier desigualdad en la estructura de la red del sustrato y del material de cristal depositado y describe dispositivos fabricados de este modo, véase, por ejemplo, el documento WO 2007/072023 A1.

La invención se refiere dispositivos formados a partir de heteroestructuras que comprenden un material semiconductor del grupo II-VI y otro material semiconductor con funcionalidad potenciada, en especial cuando se forma de acuerdo con los procedimientos descritos anteriormente. La invención se define por los términos de las reivindicaciones.

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1. Una heteroestructura de dispositivo semiconductor compuesto que forma un dispositivo detector híbrido que comprende un primer material detector semiconductor de cristal en masa (101, 111) adecuado para la detección de fotones de una parte de menor energía del espectro electromagnético, y un segundo material detector semiconductor de cristal en masa (102, 112) adecuado para la detección de fotones de una parte de mayor energía del espectro electromagnético dispuesto sobre una superficie del primer material semiconductor de cristal en masa, siendo el segundo material detector semiconductor de cristal en masa un material del grupo II-VI que comprende Cd1- (a+b) MnaZnbTe cristalino, donde a y/o b pueden ser cero, distinto del primer material semiconductor de cristal en masa, siendo el primer material detector semiconductor de cristal en masa (101, 111) un material para la detección de fotones de una parte de menor energía del espectro que el segundo material de cristal en masa, donde las porciones de al menos el segundo material semiconductor de cristal en masa tienen un grosor selectivamente reducido para producir un área configurada según un patrón de grosor reducido de dicho material semiconductor de cristal en masa

2. Una estructura de acuerdo con la reivindicación 1, en la que las porciones de un primer y de un segundo material detector semiconductor de cristal en masa tiene un grosor selectivamente reducido.

3. Una estructura de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que las porciones de al menos un material semiconductor de cristal en masa tienen un grosor reducido hasta cero de modo que dicha estructura de dispositivo semiconductor compuesto está dividida en porciones de dicho al menos un material semiconductor de cristal en masa separado por porciones expuestas, exponiéndose esas porciones expuestas la superficie del otro material semiconductor de cristal.

4. Una estructura de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las porciones configuradas según un patrón de la estructura de semiconductor en masa configurada según un patrón están estructuradas de tal manera que crean una disposición pixelada eficaz, por ejemplo, una disposición lineal o disposición superficial.

5. Una estructura de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el primer material de cristal en masa (101, 111) comprende un material semiconductor que no es un semiconductor del grupo II-VI.

6. Una estructura de acuerdo con la reivindicación 5, en la que el primer material de cristal en masa (101, 111) comprende un sustrato de silicio, arseniuro de galio, carburo de silicio o germanio.

7. Una estructura de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el primer material de cristal en masa (101, 111) tiene un grosor de al menos 100 µm, preferiblemente de al menos 200 µm.

8. Una estructura de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el segundo material de cristal en masa (102, 112) tiene un grosor de al menos 0, 5 mm, preferiblemente de al menos 10 mm.

9. Una estructura de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el primer y/o segundo cristal en masa es un monocristal.

10. Un procedimiento de formación de una heteroestructura de dispositivo semiconductor compuesto que forma un dispositivo detector híbrido que comprende las etapas de:

disponer un primer material detector semiconductor de cristal en masa (101, 111) adecuado para la detección de fotones de una parte de menor energía del espectro electromagnético, siendo el primer material detector semiconductor de cristal en masa (101, 111) un material para la detección de fotones de una parte de menor energía del espectro que el segundo material de cristal en masa;

opcionalmente formar una capa interfacial sobre una superficie del primer material semiconductor de cristal en masa;

formar un segundo material detector semiconductor de cristal en masa (102, 112) adecuado para la detección de fotones de una parte de mayor energía del espectro electromagnético de un material del grupo II-VI que comprende Cd1- (a+b) MnaZnbTe cristalino, donde a y/ o b pueden ser cero, distinto del primer material semiconductor de cristal en masa sobre el mismo;

retirar selectivamente áreas de al menos el segundo material semiconductor de cristal en masa para producir áreas configuradas según un patrón de grosor reducido del material retirado.

11. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en el que se retiran en su totalidad porciones de al menos un material semiconductor en masa, dando como resultado un grosor reducido de cero, de modo que el material está totalmente ausente y dicha estructura de dispositivo semiconductor compuesto está dividida en porciones de dicho al menos un material semiconductor de cristal en masa separado por porciones expuestas, exponiendo esas porciones expuestas la superficie del otro material semiconductor de cristal.

12. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, en el que el material se retira para formar una disposición pixelada, por ejemplo, una disposición lineal o disposición superficial.

13. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que el material se retira por un procedimiento fotolitográfico.

14. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 13, en el que se aplica una fotorresistencia sensible a radiación electromagnética (em) a una superficie receptora del material de cristal en masa que se va a retirar, se aplica una fotomáscara que incluye características de patrón apropiado, se expone la fotorresistencia a radiación para desarrollarla en la región no enmascarada, y se aplica un grabado por ataque químico adecuado para grabar el patrón de exposición en el material de cristal en masa bajo las áreas expuestas sobre la fotorresistencia.

15. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en el que el primer material de cristal en masa (101, 111) es un sustrato de silicio, arseniuro de galio, carburo de silicio o germanio.